ЛЕКЦІЯ 6 ВПЛИВ ЯКОСТІ ЕЛЕКТРОЕНЕРГІЇ НА ВЕЛИЧИНУ ЇЇ ВИТРАТИ

ТА РІВЕНЬ ВТРАТ Мета лекції – усвідомити компромісні рішен-

ня при застосуванні у системах електропривода напівпровідникових перетворювачів електроенергії.

6.1. Загальні положення застосування напівпровідникових перетво-

рювачів у системах регульованого електропривода Класифікація і систематизація систем електропривода, що використову-

ються для технологічних установок у різних галузях промисловості, наведена у ДСТУ 3886–99 "Енергозбереження. Системи електропривода. Метод аналізу і вибору". У стандарті окрім методу аналізу та вибору систем електропривода наведені рекомендації зі зниження величини витрати електроенергії та визна-чення раціональних режимів експлуатації технологічних установок.

Системи електропривода можна класифікувати за одним критерієм – за-стосування різноманітних НП для ефективного регулювання параметрів техно-логічного процесу. Враховуючи ідею та мету цього розділу, системи електро-привода технологічних установок без НП надалі розглядатимуться лише епізо-дично з метою зіставлення переваг і недоліків. Їх будова, схемні рішення, конс-труктивне виконання, автоматизація, технологічні параметри і режими роботи достатньо повно викладені у багатьох літературних джерелах, наприклад, у ро-боті [19]. Так, наприклад, для підйомних установок шахт використовують "кла-сичний" асинхронний електропривід з реостатним регулюванням в ланцюзі ро-тора, якому властивий цілий ряд недоліків, основними з яких є неможливість точної підтримки швидкостей "дотягування" без застосування механічного га-льма та значні втрати електроенергії. Величина цих втрат прямо пропорційна різниці між номінальною та зниженою швидкостями та часу руху на зниженій швидкості. Для ВГП застосовується система синхронного електропривода з не-залежним збудженням, основними перевагами якої є відносно невисока вар-тість і можливість компенсації реактивної потужності при роботі в режимі пе-резбудження. Проте недоліки такої системи роблять її неконкурентоспромож-ною порівняно із системами на базі НП: великі пускові струми (особливо для потужних вентиляторів) і значна тривалість пуску; необхідність в установленні системи збудження; низька надійність тиристорних збуджувачів тощо.

Існує два способи регулювання продуктивності технологічних установок: технологічне (механічне) регулювання і використання системи регульованого електропривода на базі НП електроенергії. Причому ефективність заходів пер-шого способу невелика (часто це всього лише "уявна" економія електроенергії) і вони характеризуються обмеженими діапазоном регулювання та сферою за-стосування. Тоді як другий спосіб дозволяє регулювати продуктивність майже будь-якої технологічної установки у дуже великому діапазоні (від нуля до но-

мінальної, а іноді й більше) з "дійсною" енергетичною ефективністю у вигляді зниження величини витрати електроенергії.

Зростання вимог до підвищення продуктивності машин, необхідність ке-рування технологічним процесом, поява надійних і відносно недорогих НП – це основні передумови для широкого впровадження у 70-х роках минулого століт-тя регульованого електропривода у всі галузі промисловості, особливо в мета-лургійну. Для вугільних шахт України ця тенденція проявилася приблизно у 90-ті роки.

Нині всі провідні електротехнічні фірми випускають регульовані елект-роприводи комплектно з комп'ютерними засобами автоматизації у вигляді гну-чкопрограмованих систем на базі: потужних польових транзисторів (MOSFET), біполярних транзисторів з ізольованим затвором (IGBT), замикальних тиристо-рів з інтегрованим керуванням (IGCT) та без нього (GTO). Основна перевага тиристорних перетворювачів – здатність працювати з великими струмами і на-пругами, витримуючи тривале навантаження та імпульсні дії. Вони також ма-ють більш високий (до 98 %) ККД порівняно з перетворювачами на транзисто-рах, основними перевагами яких є проста система керування, висока надійність і повна керованість [20, 21].

Основним обладнанням вугільних шахт, на якому впроваджуються су-часні технології з перетворення електроенергії, є енергоємні стаціонарні уста-новки: підйоми (головні та допоміжні), ВГП, компресори. Враховуючи специ-фіку технологічних процесів, використання НП у системах регульованого елек-тропривода стаціонарних установок шахт дозволить отримати такі переваги [22–24]:

- підвищити безпеку та надійність роботи стаціонарних установок, що за-безпечить нормальну ритмічну роботу всього підприємства;

- зменшити величину витрати електроенергії до 10 – 20 % залежно від ти-пу технологічної установки та режиму її роботи;

- більш точно і плавно регулювати частоту обертання електродвигуна, що допоможе відмовитися від використання редукторів, варіаторів та іншої регу-лювальної апаратури та значно спростити керовану механічну схему і підвищи-ти її надійність;

- плавно регулювати пуск двигуна (без підвищених пускових струмів і механічних ударів) та розгін, що знизить навантаження на двигун і збільшить термін його експлуатації;

- упровадити системи дистанційного керування стаціонарними установ-ками і системи постійного моніторингу механізмів і електроприводів з мікро-процесорним керуванням;

- підвищити продуктивність підйомних установок на 10 – 15 % за рахунок "ущільнення" і строгого дотримання заданої тахограми підйому, витримки пауз між циклами при завантаженні–розвантаженні скіпів, автоматизації допоміж-них операцій;

- візуально контролювати технологічні та механічні параметри установки (наприклад, як змінюється живильна напруга і струм, положення скіпу в стов-бурі, кількість циклів підйому за добу тощо).

До основних недоліків застосування систем регульованого електроприво-да на базі НП слід віднести:

- генерацію значних електромагнітних перешкод, які виявляються під час спотворення синусоїдальної форми кривих напруги і струму живильної елект-ричної мережі;

- низький коефіцієнт потужності, особливо при глибокому регулюванні швидкості обертання двигуна, що виявляється в значному обсязі та різкозмін-них режимах споживання реактивної потужності та пов’язаних з цим коливан-нях напруги;

- зниження коефіцієнта корисної дії та терміну служби двигунів, додатко-ві втрати потужності та енергії, пов'язані з погіршенням якості електроенергії при роботі НП;

- значні капітальні витрати тощо. Отже, наявність істотних технологічних переваг перетворювачів енергії

зумовила їх широке впровадження в системи регульованого електропривода рі-зних технологічних процесів, у тому числі й стаціонарних установок вугільних шахт. Недоліків від застосування НП, які більш докладно розглянуті у п. 6.3, можливо уникнути при застосуванні у системах електропостачання спеціальних пристроїв, типи та характеристики яких наведені у п. 6.4.

6.2. Джерела вищих гармонік в електричних мережах шахт 6.2.1. Вентильні перетворювачі Вентильні перетворювачі напруги є потужними джерелами гармонійних

перешкод. У поширених 6–пульсних мостових схемах основними є 5, 7, 11 та 13-та гармоніки, які називаються канонічними (рис. 6.1, а). При використанні 12–пульсних схем для більш потужних установок теоретично немає 5 і 7-ї гар-монік, а переважають 11, 13, 23 і 25-та [25, 26]. Такі перетворювачі застосову-ються на вугільних шахтах, насамперед, у системах електропривода типу "ти-ристорний перетворювач – двигун постійного струму" на скіпових та клітьових підйомних установках. Це комплектні тиристорні електроприводи серій ЕКТЦ, КТЕУ тощо.

0

20

40

60

80

100

120

140

160

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Номер гармоніки n

Напруга

, В

ба

Рис. 6.1. Трифазна мостова схема 6–пульсного вентильного перетворювача (а) та амплітудний спектр кривої напруги (б)

Приклад 6.1. Визначити коефіцієнт спотворення синусоїдальності кривої

напруги КU (коефіцієнт несинусоїдальності напруги) для гармонійного спектра, що відповідає циклу роботи головного підйому шахти на номінальній напрузі Uном = 6000 В (рис. 6.1, б).

Розв'язування. Коефіцієнт n-ї гармоніки напруги КU(n), наприклад, 5-ї 5

(5)120100 100 100 2,0 %.6000

nU

ном ном

U UKU U

= ⋅ = ⋅ = ⋅ =

де Un – діючі значення напруги відповідних гармонік, В. Аналогічно знаходимо: (7) 2,5 %;UK = (11) 1,83 %;UK = (13) 2,33 %.UK =Коефіцієнт несинусоїдальності напруги

402 2 2 2 2

( ) (5) (7) (11) (13)2

2 2 2 22,0 2,5 1,83 2,33 4,36 %.

U U n U U U Un

K K K K K K=

= = + + +

= + + + =

∑ =

Розрахований коефіцієнт несинусоїдальності напруги відповідає вимогам діючого міждержавного стандарту ГОСТ 13109–97 "Нормы качества электри-ческой энергии в системах электроснабжения общего назначения".

6.2.2. Перетворювачі частоти з ланкою постійного струму Перетворювачі частоти з ланкою постійного струму є потужними джере-

лами вищих гармонік канонічних порядків (5, 7, 11, 13, 17, 19, 23, 25 ...) та ін-тергармонік (їх частота не кратна основній 50 Гц, наприклад, 88 Гц). Подвійне перетворення енергії, що відбувається у таких перетворювачах, трохи знижує ККД, але ряд переваг забезпечує широку сферу їх застосування у сучасному електроприводі, у тому числі й технологічних установок шахт. Наприклад, для

ВГП розроблена система регульованого електропривода типу ПЧСВ на базі синхронного двигуна напругою 6 кВ з незалежним збудженням.

Перетворювач з ланкою постійного струму (рис. 6.2) складається з двох вентильних систем – випрямляча та інвертора (як правило, інвертора напруги). Ланка постійного струму включає індуктивність Ld і ємність С. Потужні пере-творювачі частоти оснащуються ви-рівнювальним реактором Ld, призначеним для зменшення пульсацій струму Id, а в малопотужних перетворювачах зв'язок випрямляча й інвертора здійснюється тільки за допомогою конденсатора С. До електричної мережі ПЧПС підключається безпосередньо, тобто без спеціально-го трансформатора [26].

Рис. 6.2. Структурна схема ПЧПС

6.2.3. Безпосередні перетворювачі частоти Перетворювачі частоти без проміжної ланки постійного струму або без-

посередні перетворювачі частоти (циклоконвектори) генерують у живильні електричні мережі значні за рівнем вищі гармоніки канонічного ряду та інтер-гармоніки. Існує ряд типів і схем перетворювачів частоти, що мають своє прак-тичне застосування. Одним із найпоширеніших типів є безпосередній перетво-рювач частоти з природною комутацією струму тиристорів, спрощена схема якого наведена на рис. 6.3. Схема містить два однакових вентильних комплекти В1 і В2, які пропускають струм навантаження різної полярності. Частота f2 осно-вної гармоніки струму навантаження визначається системою імпульсно - фазового керування СІФК [26].

Рис. 6.3. Схема трифазно – однофазного циклоконвектора

з природною комутацією Більш удосконаленими є безпосередні перетворювачі частоти зі штучною

комутацією тиристорів, які будуються за тими принциповими схемами, що й з природною комутацією, але з додатковою ланкою (ланками) штучної комутації.

У системах електропривода технологічних установок вугільних шахт та-кож застосовують безпосередні перетворювачі частоти, наприклад, в апаратурі частотного електропривода серії ПЧВ-К У5 для потужних магістральних конве-єрів з асинхронними двигунами з короткозамкненим ротором.

6.2.4. Каскадні схеми на базі асинхронного двигуна Як відомо, асинхронні двигуни найбільше застосовуються на вугільних

шахтах, а тому саме різноманітні каскадні схеми електропривода на їх базі (асинхронний вентильний, інверторний або тиристорний каскади) широко ви-користовуються для регулювання технологічних параметрів різних установок. Водночас каскадні схеми дуже погіршують якість напруги та струму в системі електропостачання, що викликано наявністю двох перетворювачів Р1 і Р2 та електричним зв'язком із живильною мережею як статора, так і ротора керуємо-го асинхронного двигуна (рис. 6.4, а).

Рис. 6.4. Принципова схема каскадного електропривода (а)

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Номер гармоніки n

Коефіцієнт n

-ї гарм

оніки,

%

ба

та вигляд гармонійного спектра струму при його роботі (б) Саме тому при роботі асинхронного каскаду у струмі мережі можуть з'яв-

итися складові таких частот [26]: 1. Канонічні гармоніки, що генеруються перетворювачем Р2:

fк = (р2k ± 1)f1, де р2 – пульсность перетворювача Р2; f1 = 50 Гц – основна частота електричної мережі; k = 0, 1, 2, ....

2. Інтергармоніки з частотами fn,12, які за допомогою перетворювача Р2 переходять у живильну мережу як бічні складові навколо його канонічних гар-монік.

3. Гармонійні складові, наявність яких обумовлена трансформацією гар-монік ротора на бік статора. Складові струмів ротора з частотою fn,2 з'являються в статорі з частотою fn,1.

На вугільних шахтах останнім часом у системах електропривода голо-вних підйомних та вентиляторних установок застосовують схему АТК на базі асинхронного двигуна з фазним ротором напругою 6 кВ.

Приклад 6.2. Визначити діюче значення повного струму, споживаного з

мережі двигуном системи АТК для електропривода вентилятора головного провітрювання, якщо діюче значення струму основної гармоніки І1 = 120 А, а спектр вищих гармонік має такий вигляд, як на рис. 6.4, б (постійну складову струму можна не враховувати).

Розв'язування. Діючі значення n-ї гармонійної складової струму ( ) (5)

5 1 18 120 9,6 A,

100 100 100I n IK K

I I I= ⋅ = ⋅ = ⋅ =

де КІ(n) – коефіцієнт n-ї гармонійної складової струму, % (рис. 6.4, б). Аналогічно знаходимо: 7 7,2 A;I = 11 8,4 A;I = 13 6,0 A.I = Тоді діюче значення повного струму 40

2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 21 5 7 11 13

1120 9,6 7,2 8,4 6 121,04 A.n

nI I I I I I I

== = + + + + = + + + + =∑

Бачимо, що повний споживаний з мережі струм за рахунок появи вищих гармонійних складових збільшився на 1,04 А. Для умов прикладу таке зростан-ня несуттєве, однак при іншому спектральному складі та більших рівнях вищих гармонік повний струм може збільшитися настільки, що це потребує заміни живильного кабелю, комутаційної апаратури тощо. Окрім цього, пропорційно його величині зростають втрати електроенергії в елементах СЕП.

6.3. Основні негативні наслідки застосування систем регульованого

електропривода 6.3.1. Додаткові втрати потужності та енергії від струмів вищих гар-

монік Відповідно до п. 6.2 усі системи регульованого електропривода на базі

напівпровідникових перетворювачів є джерелами вищих гармонік напруги та струму в живильну мережу, які, окрім усього іншого, викликають додаткові втрати активної потужності в електрообладнанні, що знаходиться під впливом неякісної електроенергії. Зазвичай враховують додаткові втрати енергії в обмо-тках статора та ротора двигунів (втрати в міді), а втратами в сталі нехтують.

На рис. 6.5 розглянуто криві, які характеризують процес зміни коефіцієн-тів несинусоїдальності напруги і струму в циклі роботи головної підйомної установки з електроприводом за системою АТК та підтверджують висновок стосовно суттєвого "забруднення" живильної мережі вищими гармоніками при використанні напівпровідникових перетворювачів.

Рис. 6.5. Криві зміни коефіцієнта несинусоїдальності напруги (а) та струму

(б) у циклі роботи головної підйомної установки

7-а

KU

KI 5-а

KI(

n), %

K

U(n

), %

б

а

із системою АТК Додаткові втрати в асинхронних двигунах, обумовлені вищими гармоні-

ками, визначаються за такими формулами [25, 26]:

( ) 2. ( )

2;

mn

м ном I nАДn

Р Р K=

∆ = ∆ ∑ n (6.1)

( ) 2 2. ( )

2

12 ,m

nм ном пс U nАД

nР Р k K

n n=∆ = ∆ ∑

де ∆Рм.ном – номінальні втрати в міді статора електродвигуна, кВт; n – порядко-вий номер гармоніки; kпс – кратність пускового струму; KI(n) = In / I1 та KU(n) = Un / U1 – коефіцієнти n-ї гармонійної складової струму та напруги відповідно, в.о.; Iп та Uп – діючі значення струму (А) та напруги (В) п-ї гармоніки відповід-но; I1 та U1 – діючі значення струму (А) та напруги (В) першої (основної) гар-моніки відповідно.

Додаткові втрати в синхронних машинах, обумовлені вищими гармоні-ками,

( ) 2( )

2

1 ,m

nсм ном U nCД

nР k Р K

n n=∆ = ∑

де Рном – номінальна потужність електродвигуна, кВт; kсм – коефіцієнт синхро-нної машини, що залежить від її типу [25].

Втрати активної потужності від струмів вищих гармонік у трансфор-маторах

( ) 2

23 ,

mn

n к nТРn

Р І r k=

∆ = ∑

де In – струм n-ї гармоніки, що проходить через трансформатор; rк –опір корот-кого замикання трансформатора при промисловій частоті; kп – коефіцієнт, що враховує збільшення опору короткого замикання для вищих гармонік унаслідок впливу поверхневого ефекту та ефекту близькості (для силових трансформато-рів можна прийняти: k5 = 2,1; k7 = 2,5; k11 = 3,2; k13 = 3,7).

Додаткові втрати потужності в силових трансформаторах (кВт) та-кож можна визначити за формулою (при цьому нехтуємо додатковими втрата-ми холостого ходу від струмів вищих гармонік)

2

( ) 2( )2

2

1 0,051,291 ,m

n кзU nТР

nкз

Р nР Kп пи =

∆ +∆ = ∑ (6.2)

де ∆Ркз – втрати короткого замикання трансформатора, кВт; икз – напруга коро-ткого замикання, в.о.

Додаткові втрати потужності в батареях конденсаторів (Вт) при їх приєднанні до шин без захисного реактора визначаються з урахуванням при-пущення, що коефіцієнт діелектричних втрат tgδ однаковий для усіх вищих га-рмонік (включно до 13-ї гармоніки):

13

( ) 2

13 tgδ ,n

nБКn

Р С nUω=

∆ = ∑

де Un – напруга п-ї гармоніки (включаючи інтергармоніки) на шинах після під-ключення батареї конденсаторів, В; С – ємність конденсаторів, Ф; ω – кутова частота, рад.

Додаткові втрати потужності в конденсаторних установках (кВт) від несинусоїдальності [27]

40

( ) 4 2( )

210 tgδ ,n

н U nБКn

Р Q nК−

=∆ = ∑

де Qн – номінальна реактивна потужність установки, квар.

Додаткові втрати потужності у фільтрокомпенсувальних пристроях п-ї гармоніки (Вт) складаються переважно із втрат у реакторі та батареї конденса-торів на частотах вищих гармонік та інтергармонік, на які налаштований ФКП (втратами від інших вищих гармонік, що проникають у фільтр, можна знехту-вати) [26]:

( ) 2 23 3 δ,n

п р nФКПР І r п nU Сω∆ = + tg

де Іп – струм п-ї гармоніки, що проходить через фільтр; рr п – активний опір реактора для п-ї гармоніки за припущення різкого прояву поверхневого ефекту.

Додаткові втрати потужності в лініях електропередачі за умови різко-го прояву поверхневого ефекту

( ) 2

23

mn

л пЛЕПn

Р r І п=

∆ = ∑ , (6.3)

де rл – активний опір ЛЕП на основній частоті, Ом.

Додаткові втрати потужності від струмів вищих гармонік викликають відповідні втрати електроенергії, що визначаються за відомими формулами для різних видів електрообладнання та прямо пропорційні часу роботи устаткуван-ня за умов впливу несинусоїдальних напруги та струму.

Приклад 6.3. Для умов прикладу 6.2 визначити додаткові втрати активної

потужності від вищих гармонік в асинхронному двигуні системи АТК з номіна-льними втратами в міді статора ∆Рм.ном = 240 кВт та в живильній кабельній лінії довжиною lк = 400 м з питомим активним опором r0к = 0,28 Ом/км.

Розв'язування. Додаткові втрати потужності від вищих гармонік в асинхронному двигуні

( )( )

( ) 2 2 2 2 2. ( ) . (5) (7) (11) (13)

22 2 2 2

5 7 11 13

240 0,08 5 0,06 7 0,07 11 0,05 13 11,8 кВт,

mn

м ном I n м ном I I I IАДn

Р Р K n Р K K K K=

∆ = ∆ = ∆ + + +

= + + + =

∑ =

де КІ(п) – коефіцієнти п-ї гармонійної складової струму згідно з рис. 6.4, б, в.о. За формулою (6.3) додаткові втрати в кабельній ЛЕП

( )( )

( ) 2 2 2 2 20 5 7 11 13

22 2 2 2

3 3 5 7 11 13

3 0,28 0,4 9,6 5 7,2 7 8,4 11 6 13 0,24 кВт,

mn

л п к кЛЕПn

Р r І п r l І І І І=

∆ = = + + +

= ⋅ ⋅ + + + =

∑ =

де rл = r0к lк – активний опір кабельної ЛЕП, Ом; Іп – струм п-ї гармоніки, А. Сумарні втрати активної потужності, що визначають зростання величини

витрати електроенергії, для умов прикладу сягають 12 кВт, що досить суттєво. Приклад 6.4. Для умов прикладу 6.1 визначити додаткові втрати

активної потужності від вищих гармонік у силовому трансформаторі типу ТРДН-25000/110 головної знижувальної підстанції шахти.

Розв'язування. Додаткові втрати потужності від вищих гармонік у сило-вому трансформаторі за формулою (6.2)

2 2 2 22 2 2

2( ) 2

( )2 22

1 0,05 5 1 0,05 7 1 0,05 11 1 0,05 130,02 0,025 0,0183 0,023

5 5 7 7 11 11 13 13

1 0,05 1201,291 1,2910,105

5,2 кВт,

mn кз

U nТРnкз

Р nР Kп пи =

+ ⋅ + ⋅ + ⋅ + ⋅ 2+ + +

∆ +∆ = = ×

⎛ ⎞×⎜ ⎟⎝ ⎠=

∑

=

де ∆Ркз = 120 кВт і икз = 0,105 в.о. – рівень втрат потужності та напруга корот-кого замикання трансформатора ТРДН-25000/110 (довідкові матеріали).

Для зазначеного у прикладі гармонійного спектра та рівня вищих гармо-нік додаткові витрати електроенергії у силовому трансформаторі сягнуть вели-чини понад 45 МВт·год на рік, що підтверджує важливість вирішення проблеми її якості.

Слід розуміти, що додаткові втрати потужності та електроенергії в елеме-

нтах СЕП та привідних двигунах від несінусоїдальності напруги та струму зна-чно менші за втрати, викликані перетоками реактивної потужності та відповід-ним низьким значенням cosϕ (див. п. 1.2). Такі значні за величиною перетоки зумовлені застосуванням напівпровідникових перетворювачів у системах регу-льованого електропривода. Розглянемо цю проблему детальніше.

6.3.2. Проблема компенсації реактивної потужності Робота систем регульованого електропривода на базі НП характеризуєть-

ся різкозмінним режимом споживання реактивної потужності з мережі, особли-во для технологічного устаткування, що потребує "глибокого" регулювання за відносно короткі проміжки часу (наприклад, підйомних установок). Для такого режиму характерні значні за величиною стрибки споживання реактивної енергії та низький коефіцієнт потужності cosϕ (наприклад, для підйомних установок його середньозважене за цикл роботи значення складає лише 0,3 – 0,6).

Як підтвердження останньої тези, на рис. 6.6 наведені криві споживання активної Р, реактивної Q та повної S потужностей за цикл роботи головної під-йомної установки із системою АТК, а також її добовий графік електричного на-вантаження.

Рис. 6.6. Криві споживання потужностей за цикл роботи

0

100

200

300

400

500

600

0:30

1:30

2:30

3:30

4:30

5:30

6:30

7:30

8:30

9:30

10:3

011

:30

12:3

013

:30

14:3

015

:30

16:3

017

:30

18:3

019

:30

20:3

021

:30

22:3

023

:30

Час доби, год

Споживана потужність Q, квар

Р, кВт

Р

SQ

а

б

головної підйомної установки із системою АТК (а) та її фактичний добовий ГЕН (б)

Форма кривих зміни потужностей свідчить, що значне споживання її реа-

ктивної складової спостерігається в періоди несталого руху скіпа, тобто в про-цесі його розгону, гальмування й розвантаження. У цей час величина спожива-ної реактивної потужності в 1,5 – 2 рази перевищує активну. В процесі сталого руху скіпа стрибків споживання реактивного навантаження не відбувається, і його величина порівняна з активним. Це підтверджує тезу про те, що "глибоке" регулювання технологічних параметрів за допомогою напівпровідникових пе-ретворювачів значно знижує величину коефіцієнта потужності.

У системах реверсивних тиристорних електроприводів з міркувань забез-печення сталої роботи інвертора діапазон зміни кута регулювання тиристорів складає 30 –150 електричних градусів. При цьому під час регулювання швид-кості приводу коефіцієнт потужності змінюється від cos 30о (150о), який дорів-нює 0,866 при номінальній швидкості електродвигуна, до cos 90о, який дорів-нює нулю при нульовій швидкості (двигун не обертається), тобто найбільш складні режими з точки зору споживання реактивної потужності – це режими розгону та гальмування приводів (мінімальних швидкостей), оскільки при цьо-му з мережі споживається максимальний струм індуктивного характеру [24].

За умови несинусоїдальності напруги й струму в електричній мережі компенсація реактивної потужності за допомогою найбільш розповсюджених

БСК значно ускладнюється або взагалі виявляється неможливою. Це пов’язано з декількома основними факторами. По–перше, батареї конденсаторів можуть довгий час працювати при перевантаженні струмами вищих гармонік, які не перевищують 30 %, та підвищеній до 10 % напрузі. Однак опір саме конденса-торів значно зменшується зі зростанням частоти, тому у цих умовах термін їх-ньої роботи скорочується (особливо це стосується батарей, що приєднуються до мережі безпосередньо, тобто без захисних реакторів). По–друге, значення єм-ності конденсаторів та індуктивності електричної мережі можуть спровокувати в системі електропостачання режим, близький до резонансу струмів на частоті будь-якої з гармонік. Звичайно, що такий режим призводить до перевантаження батарей конденсаторів та виходу їх із ладу. По–третє, різкозмінний режим спо-живання реактивної потужності (короткотривалі стрибки і провали) при засто-суванні систем електропривода на базі напівпровідникових перетворювачів ро-бить неефективним використання нерегульованих або ступенево регульованих конденсаторних установок. Для таких умов необхідне впровадження фільтро-компенсувальних пристроїв, величина генерованої реактивної потужності яких регулюється в масштабі реального часу (див. п. 6.4).

Отже, величина потенціалу зниження величини витрати електроенергії при використанні регульованого електропривода залежить від необхідного (або наявного) діапазону регулювання продуктивності технологічної установки. При наближенні фактичних регульованих параметрів установки до номінальних енергетична ефективність застосування систем регульованого електропривода щодо зниження величини витрати електроенергії зменшується, а при їх рівності й зовсім зникає. Водночас при "глибокому" регулюванні значно зростає спожи-вання реактивної потужності та спотворюється синусоїдальна форма кривих напруги та струму в електричній мережі.

6.3.3. Інші негативні наслідки впливу вищих гармонік струму та на-пруги

За умови несинусоїдальної напруги, окрім додаткових втрат активної по-

тужності та енергії в елементах системи електропостачання та електричних машинах (див. п. 6.3.1), а також ускладнення режиму компенсації реактивної потужності за допомогою батарей конденсаторів (див. п. 6.3.2) спостерігається ряд інших негативних явищ. Рівень прояву таких явищ залежить від потужнос-тей джерел вищих гармонік та системи електропостачання, що оцінюється по-тужністю короткого замикання у місці приєднання нелінійного навантаження.

У результаті додаткового нагріву струмами вищих гармонік та інтенсифі-кації іонізаційних процесів скорочується термін служби ізоляції електричних машин і апаратів, що особливо виявляється при експлуатації "незахищених" ба-тарей конденсаторів [25, 26].

При роботі асинхронних двигунів в умовах несинусоїдальної напруги їх коефіцієнт потужності й обертальний момент на валу незначно знижуються внаслідок впливу струмів вищих гармонік та зворотної послідовності.

При несинусоїдальних режимах роботи облік електроенергії пов'язаний зі значними похибками, значення яких залежать від вимірювальної системи лічи-

льника, його частотної характеристики, місця встановлення та інших факторів. Наприклад, електронні лічильники мають позитивну частотну похибку, тому в мережах з несинусоїдальною напругою має місце недооблік електроенергії, а в іншому випадку – переоблік.

Вплив вищих гармонік на системи імпульсно-фазового керування пере-творювачів може призвести до появи так званої гармонійної нестійкості, тобто до появи на шинах багатопульсного напівпровідникового перетворювача вели-кої напруги парної гармоніки або кратної трьом. При цьому можливо порушен-ня комутації, і як наслідок робота системи може виявитися нестійкою.

Вищі гармоніки струму й напруги в мережі погіршують роботу телемеха-нічних пристроїв, якщо силові кола використовуються як канали зв'язку для ди-спетчерського керування, ускладнюють застосування системи телекерування по лініях розподільних мереж.

Окрім цього, струми вищих гармонік призводять до погіршення роботи високочастотного зв'язку й систем автоматики, а також викликають помилкове спрацьовування деяких релейних захистів. Особливо це стосується пристроїв, що мають у своєму складі напівпровідникові елементи.

За умови несинусоїдальності напруги й струму підсилюється вплив інших видів електромагнітних перешкод. Наприклад, при зниженні напруги в мережі внаслідок різних причин імовірність відмов електронних систем обліку, захисту та керування в умовах несинусоїдальних режимів значно зростає.

6.4. Шляхи вирішення проблеми підвищення якості електроенергії Для підвищення показників якості електроенергії використовуються різні

методи й технічні засоби. Батареї статичних конденсаторів застосовуються без-посередньо для компенсації реактивної потужності. Як додаток до неї, фільтро-компенсувальні пристрої на базі простих резонансних або складних комбінова-них фільтрів забезпечують також фільтрацію вищих гармонік та інтергармонік. Ще більші можливості мають активні й гібридні фільтри, за допомогою яких також знижується рівень інтергармонік [25, 26].

Пряма компенсація передбачає генерування реактивної потужності за до-помогою БСК зі ступеневим або плавним регулюванням. У першому разі різну кількість секцій батарей конденсаторів підключають за допомогою тиристор-них ключів, у другому – використовують перетворювачі частоти зі штучною комутацією тиристорів. Однак за умов несинусоїдальних режимів пряма ком-пенсація виявляється вкрай неефективною (див. п. 6.3.2).

Зниження рівнів вищих гармонік у мережах потребує комплексного під-ходу, основаного на застосуванні резонансних фільтрів, які називаються філь-трокомпенсувальними пристроями, що разом зі зниженням несинусоїдальності генерують реактивну потужність.

При паралельному з'єднанні LC–кіл, налаштованих на частоти окремих гармонік, реалізується ланцюжковий ФКП. Дефіцит реактивної потужності в цьому разі може бути повністю покритий за допомогою БСК, встановлена по-тужність яких використовується на 80 – 90 %. Отже, фільтрокомпенсувальні

пристрої за своєю будовою є найбільш простими й економічними, що забезпе-чило їхнє широке застосування.

Активні фільтри є перспективними багатофункціональними пристроями, що забезпечують залежно від їх схем фільтрацію вищих гармонік та інтергар-монік, компенсацію реактивної потужності, зменшення глибини й тривалості провалів напруги, регулювання напруги у споживача.

Взагалі АФ являє собою джерело реактивного струму навантаження ос-новної частоти, вищих гармонік та інтергармонік, яке приєднується паралельно навантаженню або послідовно в розняття лінії. Пристрій керування АФ забез-печує формування сигналів відповідно до алгоритму, що дозволяє активним фі-льтрам генерувати реактивний компенсувальний струм основної частоти та струми вищих гармонік й інтергармонік, щоб у сумі зі струмом нелінійного на-вантаження в мережі отримати активний струм практично синусоїдальної фор-ми.

Основним недоліком АФ є його значна вартість, особливо для високої на-пруги та великих потужностей.

Інший різновид активної фільтрації полягає у використанні гібридних фі-льтрів, у яких активний фільтр вмикається паралельно або послідовно з фільт-рокомпенсувальним пристроєм. При цьому ФКП налаштовується на частоти значущих вищих гармонік, а АФ забезпечує додаткове зниження несинусоїда-льності. У цьому разі потрібна значно менша встановлена потужність активно-го фільтра, який дорого коштує.

Одне з найбільш ефективних рішень з підвищення якості електроенергії в електричних мережах з нелінійним навантаженням – використання регульова-ного ФКП, структурна схема якого наведена на рис. 6.7. Пристрій складається з фільтра п-ї гармоніки (або гармонік), індуктивність Lф та ємність Сф якого на-лаштовуються на відповідну частоту. Ємність забезпечує також постійну ком-пенсацію реактивної потужності. Пристрій декомпенсації, що складається з дроселів Lд та тиристорних груп ТГ, "забирає" в себе надлишки реактивної по-тужності при перекомпенсації, обсяг якої визначається за допомогою вимірю-вальних трансформаторів напруги ВТН та струму ТС. Система керування ФКП окрім загальновідомих відповідних функцій регулює кут відкривання тиристо-рів, який тим більше, чим більше обсяг перекомпенсації реактивної потужності.

Регульований ФКП забезпечує зниження несинусоїдальності кривих на-пруги та струму за рахунок фільтрації відповідних гармонік, а також підтримує на постійно високому рівні (близькому до одиниці) значення коефіцієнта поту-жності на шинах підстанції, до якої він приєднується. Як приклад ефективності застосування регульованих ФКП, на рис. 6.8 розглянуто криві зміни коефіцієн-тів несинусоїдальності напруги та потужності. Ми бачимо, що при вмиканні пристрою (час tвм) рівні 5-ї гармоніки та загального коефіцієнта несинусоїдаль-ності напруги знижуються, а величина cosϕ значно підвищується.

Рис. 6.7. Структурна схема регульованого ФКП

ба

Час, год Час, год

КU(5)

КU

tвм tвм

cosφ

, в.о

.

КU, %

Рис. 6.8. Криві зміни коефіцієнтів несинусоїдальності напруги (а) та поту-

жності (б) під час вмикання tвм ФКП 5-ї гармоніки Отже, проблема підвищення якості електроенергії в електричних мережах

з нелінійним навантаженням, що дуже гостро постає останнім часом унаслідок широкого впровадження НП, потребує комплексного вирішення як з боку зни-ження несинусоїдальності, так і з боку компенсації реактивної потужності.

Приклад 6.5. Споживана комплектним розподільним пристроєм (КРП)

напругою Uн = 6 кВ активна електроенергія Wа при середньозваженому коефіцієнті потужності cosϕ ср1 = 0,7 за показаннями лічильника дорівнює 132 МВт·год за добу. З причини використання систем регульованого електро-привода на базі НП (тривалість їх роботи ТрНП = 18 год за добу) гармонійний спектр кривої напруги характеризується такими коефіцієнтами: КU(5) = 4,4 %;

КU(7) = 3,2 %; КU(11) = 2,1 %; КU(13) = 1,7 %; КU = 6,1 %, а струму: КI(5) = 8,7 %; КI(7) = 6,8 %; КI(11) = 4,2 %; КI(13) = 3,4 %; КI = 12,3 %. Для того, щоб показники якості електроенергії відповідали вимогам ГОСТ 13109–97, до КРП був приєд-наний ФКП 5-ї гармоніки потужністю Qф = 3 Мвар, після чого середньозваже-ний коефіцієнт потужності cosϕ ср2 підвищився до величини 0,9, а коефіцієнти гармонійних складових отримали такі значення: - напруги КU(5) = 0,2 %, КU(7) = 0,7 %, КU(11) = 2,2 %, КU(13) = 1,9 %, КU = 3,0 %; - струму КI(5) = 1,4 %, КI(7) = 2,5 %, КI(11) = 3,9 %, КI(13) = 2,9 %, КI = 5,6 %.

Визначити, на яку величину зменшиться річна витрата електроенергії піс-ля приєднання ФКП, що обумовлено зниженням несинусоїдальності та зрос-танням cosϕ ср, у:

- силовому трансформаторі типу ТДНС-10000/35, від якого живиться КРП, з параметрами ∆Pхх = 12 кВт, ∆Pкз = 60 кВт, Iхх = 0,75 %, uкз = 8,0 %;

- кабельній лінії, що живить КРП, при r0к = 0,07 Ом/км, lк = 200 м. Розв'язування. За формулою (6.2) додаткові втрати потужності від ви-

щих гармонік у силовому трансформаторі до встановлення ФКП

2 2 2 22 2 2

22

1 ( )2 22

1 0,05 5 1 0,05 7 1 0,05 11 1 0,05 130,044 0,032 0,021 0,017

5 5 7 7 11 11 13 13

1 0,05 601,291 1,2910,08

8,8 кВт.

mнес кзТР U n

nкз

Р nР Kп пи =

+ ⋅ + ⋅ + ⋅ + ⋅ 2+ + +

∆ +∆ = = ×

⎛ ⎞×⎜ ⎟⎝ ⎠=

∑

=

Додаткові витрати електроенергії від несинусоїдальності для цього варіанта за рік

1 1 365 8,8 18 365 57,8нес несТР ТР рНПW Р Т∆ = ∆ ⋅ = ⋅ ⋅ = МВт·год.

Додаткові витрати потужності та електроенергії у трансформаторі від не-синусоїдальної напруги після встановлення ФКП

2 2,1несТРР∆ = кВт; МВт·год за рік. 2 13,8нес

ТРW∆ =За формулою (5.46) фактичне завантаження трансформатора до та після

приєднання ФКП

( ) 31 1/ cos 132 10 /(24 0,7) 7857,1дф а з срS W T= ϕ = ⋅ ⋅ = кВ·А;

( ) 32 2/ cos 132 10 /(24 0,9) 6111,1д

ф а з срS W T= ϕ = ⋅ ⋅ = кВ·А,

де Тзд = 24 год – загальний час роботи трансформатора за добу. За формулою (5.45) основні (режимні) втрати активної електроенергії у

трансформаторі до встановлення ФКП за рік ' 2 ' 2

11 18 8760 0,786 124 6570 661,0реж р рхх з з кз рТРW P T К Р Т∆ = ∆ + ∆ = ⋅ + ⋅ ⋅ = МВт·год,

де кВт; К' 12 0,08 75 18хх хх е ххР Р К Q∆ = ∆ + ∆ = + ⋅ = е = 0,08 згідно з табл. 5.2; ∆Qхх = Sном Iхх / 100 = 10000·0,75 / 100 = 75 квар; Kз1 = Sф1 / Sном = 7857,1 / 10000 =

0,786; кВт; ∆Q' 60 0,08 800 124кз кз е кзР Р К Q∆ = ∆ + ∆ = + ⋅ = кз = Sном uкз / 100 = 10000·8 / 100 = 800 квар; Тзр = 8760 год; Трр = ТрНП·365 = 18·365 = 6570 год.

Аналогічно МВт·год за рік. 2 461,8режТРW∆ =

Загальні втрати електроенергії у силовому трансформаторі до та після встановлення ФКП

1 11 661,0 57,8 718,8реж несТР ТРТРW W W∆ = ∆ + ∆ = + = МВт·год за рік;

2 22 461,8 13,8 475,6реж несТР ТРТРW W W∆ = ∆ + ∆ = + = МВт·год за рік.

Зниження рівня загальних втрат електроенергії у трансформаторі ∆WТРΣ = 718,8 – 475,6 = 243,2 МВт·год за рік.

Повний струм навантаження, що протікає по кабельній лінії:

( ) ( )1 1 / 3 7857,1/ 3 6 756,9н ф нІ S U= = ⋅ = А; А. 2 588,7нІ =

Діюче значення 5-ї гармонійної складової струму до встановлення ФКП (5)

5 18,7 756,9 65,8 A.

100 100I

нK

I I= ⋅ = ⋅ =

Аналогічно знаходимо: 7 51,5 A;I = 11 31,8 A;I = 13 25,7 A.I = За формулою (6.3) додаткові втрати потужності від несинусоїдальності у

кабельній лінії до встановлення ФКП

( )( )

2 2 2 2 21 0 5 7 11 13

22 2 2 2

3 3 5 7 11 13

3 0,07 0,2 65,8 5 51,5 7 31,8 11 25,7 13 0,94 кВт.

mнесКЛ л п к к

nР r І п r l І І І І

=∆ = = + + + =

= ⋅ ⋅ + + + =

∑

Додаткові витрати електроенергії від несинусоїдальності для цього варіанта за рік

1 1 365 0,94 18 365 6,2нес несКЛ КЛ рНПW Р Т∆ = ∆ ⋅ = ⋅ ⋅ = МВт·год.

Додаткові витрати електроенергії у кабельній лінії від несинусоїдальної напруги після встановлення ФКП (з урахуванням діючих значень струмів гар-монік І5 = 8,2 А, І7 = 14,7 А, І11 = 22,9 А, І13 = 17,1 А)

2 0,15несКЛР∆ = кВт; МВт·год за рік. 2 1,0нес

КЛW∆ ≈За залежностями (5.36) і (5.37) основні (режимні) втрати потужності та

електроенергії у кабельній лінії за рік 2 -3 2 -31 01 3 10 3 756,9 0,07 0,2 10 24,1режн к кКЛP І r l∆ = ⋅ = ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ = кВт;

11 1 24,1 3950 95,2реж режКЛ КЛW P τ = ⋅ =∆ = ∆ МВт·год,

де τ1 = 3950 год – тривалість максимальних втрат потужності (згідно з рис. 1.4 при Тм = 5000 год і cosϕ ср1 = 0,7).

Аналогічно знаходимо кВт; МВт·год за рік. 2 14,5режКЛР∆ = 2 48,6реж

КЛW∆ =Загальні втрати електроенергії у кабельній лінії до та після встановлення

фільтрокомпенсувального пристрою 1 11 95,2 6,2 101,4реж нес

КЛ КЛКЛW W W∆ = ∆ + ∆ = + = МВт·год за рік;

2 22 48,6 1,0 49,6реж несКЛ КЛКЛW W W∆ = ∆ + ∆ = + = МВт·год за рік.

Зниження рівня загальних втрат електроенергії у кабельній лінії ∆WКЛΣ = 101,4 – 49,6 = 51,8 МВт·год за рік.

Сумарне річне зниження величини витрати електроенергії у результаті встановлення ФКП 5-ї гармоніки

∆WΣ = ∆WТРΣ + ∆WКЛΣ = 243,2 + 51,8 = 295,0 МВт·год за рік. Виконаний розрахунок підтверджує ефективність застосування регульо-

ваного ФКП для зменшення перетоків реактивної потужності та зниження не-синусоїдальності живильних напруги та струму. Крім того бачимо, що рівень втрат електроенергії у елементах СЕП від низького значення коефіцієнта потужності набагато (на порядок) вище за аналогічний показник для несинусо-їдальних режимів.

Контрольні питання

1. Наведіть переваги та недоліки напівпровідникових перетворювачів

електроенергії. 2. Назвіть відомі Вам перетворювачі електроенергії та галузь їх застосу-

вання. 3. Які переваги мають перетворювачі частоти з ланкою постійного струму

порівняно з іншими системами? 4. Як утворюються додаткові втрати електроенергії від струмів вищих га-

рмонік та в яких електричних пристроях це спостерігається? 5. Чому існує проблема компенсації реактивної електроенергії при засто-

суванні перетворювачів? 6. Наведіть шляхи вирішення проблеми компенсації реактивної електро-

енергії у мережах з перетворювачами. 7. Які фільтрокомпенсувальні пристрої Вам відомі та для чого вони засто-

совуються? 8. Назвіть основні складові втрат електроенергії при використанні пере-

творювачів. Частка якої складової більша? 9. Номера яких вищих гармонік відносяться до канонічного порядку? 10. Що таке інтергармоніки та в чому їх особливість?

Завдання до самостійної роботи 1. Досконально розглянути результати п’яти прикладів, наведених у розд.

6. Висловити свою думку з економічної точки зору зі зниження величини ви-трати електроенергії електроприводом та підвищення рівня її втрат у елементах системи електропостачання з урахуванням усіх недоліків. Добре виконаний аналіз допоможе сформулювати тему магістерської роботи.

2. Більш детально ознайомитися зі змістом літературних джерел, на які посилаються у розд. 6.

Тема реферату Ознайомитися з літературними джерелами, присвяченими розрахунку по-

казників якості електроенергії та їх впливу на рівень втрат електроенергії в елементах систем електропостачання та електропривода.

Компроміс існує при застосуванні перетворю-

вачів електроенергії у системах електропривода з метою удосконалення технологічного процесу та енергоефективного споживання електроенергії, однак при цьому генеруються вищі гармонійні скла-дові напруги та струму. Основні негативні наслід-ки цього – додаткові втрати енергії та скорочення терміну служби електроустаткування. Дуже важливим є значні стрибки реактивної складової потужності, які негативно впливають на величину коефіцієнта потужності. Для компенсації вищих гармонійних складових та отримання постійного значення коефіцієнта потужності застосовують фільтрокомпенсувальні пристрої. Системи регу-льованого електропривода використовуються для удосконалення технологічного процесу (в чому по-лягає технологічна задача), а проблеми такого ви-користання у вигляді негативного впливу на елект-ричні мережі та устаткування мають вирішувати фахівці з електропостачання.